Характеристика газового разряда по виду вольтамперной характеристики (вах).

Рис. 6. ВАХ температура тихого разряда.

Рис. 7. ВАХ разряда.

Электрический разряд в газах, прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением состояния газа. Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление и т. д.), внешних воздействий на газ, форм, материала и расположения электродов, геометрии возникающего в газе электрического поля и т. п. приводит к тому, что существует множество видов Электрический разряд в газе, причём его законы сложнее, чем законы прохождения электрического тока в металлах и электролитах. Электрический разряд в газе подчиняются Ома закону лишь при очень малой приложенной извне разности потенциалов, поэтому их электрические свойства описывают с помощью вольтамперной характеристики (рис. 6 и 7).

Газы становятся электропроводными при их ионизации. Если электрический разряд в газах происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии (при действии т. н. внешних ионизаторов), его называют несамостоятельным газовым разрядом. Электрический разряд в газах, продолжающийся и после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

Когда ионизация газа происходит при непрерывном действии внешнего ионизатора и малом значении разности потенциалов между анодом и катодом в газе, начинается "тихий разряд". При повышении разности потенциалов (напряжения) сила тока тихого разряда сперва увеличивается пропорционально напряжению (участок кривой OA на рис. 6), затем рост тока с ростом напряжения замедляется (участок кривой AB), и когда все заряженные частицы, возникшие под действием ионизатора в единицу времени, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит (участок ВС). При дальнейшем росте напряжения ток снова возрастает и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд (участок СЕ на рис. 6). В этом случае сила тока определяется как интенсивностью воздействия ионизатора, так и газовым усилением, которое зависит от давления газа и напряжённости электрического поля в пространстве, занимаемом разрядом.

Тихий разряд наблюдается при давлении газа порядка атмосферного. Внешними ионизаторами могут быть: естественное радиоактивное излучение, космические лучи, потоки фотонов (сильное световое облучение), пучки быстрых электронов и т. д. Ионизаторы двух последних типов используются (преимущественно в импульсном режиме) в газовых лазерах.

Переход несамостоятельного электрического разряда в газах в самостоятельный характеризуется резким усилением электрического тока (точка Е на кривой рис. 6) и называется электрическим пробоем газа. Соответствующее напряжение U3 называется напряжением зажигания. Разряд после лавинного пробоя принимает форму тлеющего разряда, если давление газа низко (несколько мм рт. ст.). При более высоком давлении (например, при атмосферном) лавинное усиление электрического разряда в газах приводит к возникновению электрического пространственного заряда, что меняет характер процесса пробоя. Образуется один или несколько узких проводящих (заполненных плазмой) каналов, исходящих от одного из электродов. Такие каналы называются стримерами. Время образования стримеров очень мало (около 10^-7 сек).

После короткого переходного процесса самостоятельный газовый разряд становится стационарным. Обычно такой разряд осуществляют в закрытом изолирующем сосуде (стеклянном или керамическом). Ток в газе течёт между двумя электродами: отрицательным катодом и положительным анодом.

Одним из основных типов газового разряда, формирующимся, как правило, при низком давлении и малом токе (участок «в» на рис. 7), является тлеющий разряд (рис. 8):

 

Рис. 8. Схема областей тлеющего разряда,

где главные четыре области разрядного пространства, характерные для тлеющего разряда, это:

1 — катодное тёмное пространство;2 — тлеющее свечение;3 — фарадеево тёмное пространство;4 — положительный столб.

 

Области 1 — 3 находятся вблизи катода и образуют катодную часть разряда, в которой происходит резкое падение потенциала (катодное падение), связанное с большой концентрацией положительных ионов на границе областей 1—2. В области 2 электроны, ускоренные в области 1, производят интенсивную ударную ионизацию. Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Для положительного столба разряда вследствие постоянной и большой концентрации электронов характерны незначительное падение потенциала в нём, свечение, вызываемое возвращением возбуждённых молекул (атомов) газа в основное состояние (состояние с наинизшей возможной энергией), и большая электропроводность.

При увеличении разрядного тока обычный тлеющий разряд становится аномальным (рис. 7) и начинается стягивание (контракция) положительного столба. Столб отрывается от стенок сосуда, в нём начинает происходить дополнительный процесс потери заряженных частиц (рекомбинация в объёме). Предпосылкой этого является высокая плотность заряженных частиц. При дальнейшем повышении разрядного тока газ нагревается настолько, что становится возможной его термическая ионизация. Столкновения между атомами или молекулами в этом случае столь сильны, что происходит отщепление электронов. Такой разряд называется дуговым разрядом. С возрастанием тока электропроводность столба повышается, вольтамперная характеристика дугового разряда приобретает падающий характер (рис. 7). Следует отметить, что хотя он может "гореть" в широком диапазоне давлений газа и иных условий, в большинстве случаев дуговой разряд наблюдается при давлении порядка атмосферного.

Во всех случаях особую важность представляет участок перехода между столбом разряда и электродами, причём ситуация у катода сложнее, чем у анода. При тлеющем разряде непрерывная связь между катодом и положительным столбом обеспечивается за счёт сильного катодного падения. В самостоятельном дуговом разряде в результате сильного локального нагрева катода появляются т. н. катодные пятна. В них обычно происходит термоэлектронная эмиссия или более сложная эмиссия электронов из облака испаряющегося материала катода. Процесс эмиссии из катода дугового разряда в настоящее время (1978) ещё не до конца понят и интенсивно исследуется.

Все рассмотренные выше электрические разряды в газах происходят под действием постоянного электрического напряжения. Однако газовые разряды могут протекать и под действием переменного электрического напряжения. Такие разряды имеют стационарный характер, если частота переменного напряжения достаточно высока (или, наоборот, настолько низка, что полупериод переменного напряжения во много раз больше времени установления разряда, так что каждый электрод просто попеременно служит катодом и анодом). Типичным примером может служить высокочастотный (ВЧ) Электрический разряд в газах. ВЧ-разряд может "гореть" даже при отсутствии электродов (безэлектродный разряд). Переменное электрическое поле создаёт в определённом объёме плазму и сообщает электронам энергию, достаточную для того, чтобы производимая ими ионизация восполняла потери заряженных частиц вследствие диффузии и рекомбинации. Внешний вид и характеристики ВЧ-разрядов зависят от рода газа, его давления, частоты переменного поля и подводимой мощности. Элементарные процессы на поверхности твёрдого тела (металла или изолятора разрядной камеры) играют определённую роль только в процессе "поджига" разряда. Стационарный ВЧ-разряд подобен положительному столбу тлеющего разряда.

Кроме стационарных разрядов, основные характеристики которых не зависят от времени, существуют нестационарные (импульсные) электрические разряды в газах. Они возникают по большей части в сильно неоднородных или переменных во времени полях, например, у заострённых и искривленных поверхностей проводников и электродов. Величина напряжённости поля и степень его неоднородности вблизи таких тел столь велики, что происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Два важных типа нестационарного разряда — коронный разряд и искровой разряд.

При коронном разряде ионизация не приводит к пробою, потому что сильная неоднородность электрического поля, обусловливающая её, существует только в непосредственной близости от проводов и остриёв. Коронный разряд представляет собой многократно повторяющийся процесс поджига, который распространяется на ограниченное расстояние от проводника — до области, где напряжённость поля уже недостаточна для поддержания разряда. Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою. Этот электрический разряд в газах имеет вид прерывистых ярких зигзагообразных разветвляющихся, заполненных ионизованным газом (плазмой), нитей-каналов, которые пронизывают промежуток между электродами и исчезают, сменяясь новыми. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества тепла и ярким свечением. Он проходит следующие стадии: резкое умножение числа электронов в сильно неоднородном поле близ проводника (электрода) в результате последовательных актов ионизации, начинаемых немногими, случайно возникшими свободными электронами; образование электронных лавин; переход лавин в стримеры под действием пространственного заряда, когда плотность заряженных частиц в головной части каждой лавины превысит некоторую критическую. Примером естественного искрового разряда является молния, длина которой может достигать нескольких км, а максимальная сила тока — нескольких сотен тысяч ампер.

К настоящему времени (1970-е гг.) все виды электрического разряда в газах исследуются и применяются во многих областях науки и техники. Тлеющий, дуговой и импульсные разряды используются при возбуждении газовых лазеров. Плазматроны, в которых основным рабочим процессом служит дуговой или ВЧ-разряд, являются важными устройствами в ряде областей техники, в частности при получении особо чистых полупроводников и металлов. Мощные плазматроны используются в качестве реакторов в плазмохимии. На применении искрового разряда основаны прецизионные методы электроискровой обработки. При фокусировке лазерного светового излучения происходит пробой воздуха в фокусе и возникает безэлектродный разряд (подобный ВЧ-разряду и искре), называется лазерной искрой. Мощные, сильноточные разряды в водороде служили первыми шагами на пути к управляемому термоядерному синтезу.

В системе естественных наук изучение электрического разряда в газах занимает место в физике плазмы. При электрическом разряде в газах образуется низкотемпературная плазма, для которой характерна малая степень ионизации. В отличие от высокотемпературной (полностью ионизованной) плазмы, в низкотемпературной плазме атомы или молекулы нейтрального газа играют важную роль. Электроны, ионы и нейтральные частицы "мягко" взаимодействуют. Вследствие этого может возникнуть термодинамически неравновесная ситуация, при которой электроны, ионы и нейтральный газ имеют разные температуры. Эта ситуация ещё более усложняется, если в балансе энергии электрических разрядов в газах нельзя пренебречь световым излучением (например, в сильноточных дуговых разрядах). В таких случаях низкотемпературную плазму необходимо описывать с помощью кинетической теории плазмы [25].

 

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Экспериментальная установка

Был использован ранее разработанный на кафедре прецизионный, регулируемый, высоковольтный источник питания (ВИП), предназначенный для питания различного типа установок, необходимых для изучения экспериментальных образцов. Источник питания обладает высокими массогабаритными показателями, характеризуется малыми выходными шумами. ВИП имеет плавную регулировку выходного напряжения в зависимости от задающего сигнала генератора. Как показали полученные параметрические характеристики, ВИП подходит для питания различных активных и реактивных нагрузок. Прибор был сконструирован таким образом, чтобы в управление он был предельно прост и не требовал предварительной наладки перед экспериментом.

2.1.1. Принципиальная электрическая схема источника питания

Электрическая схема представлена на рис. 9.

Рис. 9. Электрическая схема усилителя.

Входной каскад на транзисторе Т1 – выполненный на биполярном n-p-n транзисторе КТ829А, который является усилителем напряжения в однополупериодной схеме усиления входных импульсов с генератора. На транзисторе Т2 – КТ829А была реализована схема усиления и инверсии входных управляющих импульсов с эмиттерной температурной стабилизацией режима работы транзистора. Данный каскад усиления компенсирует потери сигнала на предшествующем каскаде.

Биполярные n-p-n транзисторы Т3 - BU941ZP и Т4 –КТ829 были включены параллельно для увеличения выходной мощности (коллекторного тока). В схеме были использованы транзисторы с близкими параметрам, транзисторы Т3 и Т4 были подобраны таким образом, чтобы согласовать работу эмиттерных повторителей и сформировать на базе транзистора Т5 сигнал для обеспечения его ключевого режима работы. Так H_21э для Т3 существенно меньше, чем для транзистора T4. Выходное сопротивление транзистора Т3 со стороны эмиттера было увеличено путем включения резистора R10. Транзистора Т3 и Т4 имеют большой запас мощности поэтому были установлены на один тепло отвод. Для дополнительного выравнивания токов в данной схеме в цепях коллекторов применены резисторы R9 и R11. Сопротивление данных резисторов было выбрано исходя из падения напряжения (в интервале рабочих токов) около 1 вольта (или, по крайней мере, - не менее 0,7 вольта). Данная схема должна применялась с большой осторожностью, так как, даже транзисторы одного типа и из одной партии выпуска имеют очень большой разброс по параметрам. Выход из строя одного из транзисторов неизбежно приведет к выходу из строя и других транзисторов в цепочке усилителя. При параллельном включении двух транзисторов максимальный суммарный ток коллектора не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора одного из транзисторов. Так же данная схема включения обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1.

Выходной каскад был собран на биполярном n-p-n транзисторе T5 - 2SB546A. Анализ рынка современных биполярных транзисторов позволил подобрать единственное схемотехническое решение по отношению к транзистору Т5. Критерием служило максимальное коллектор - базовое напряжение с одновременным максимальным коэффициентом передачи по току H_21э. К сожалению все высоковольтные биполярные транзисторы имеют малый коэффициент передачи по току, что определило низкое входное сопротивление транзистора Т5 со стороны базы и единственное оптимальное включение повышающего трансформатора в коллекторную цепь. Выходной каскад настраивался путем подбора сопротивления R12, которое не должно быть больше сопротивления первичной обмотки повышающего трансформатора Последним моментом настройки схемы, является подбор номинала сопротивлений R9, R10, R11 включенных в цепь предусилительного выходного каскада транзисторов T3 - BU941ZP и Т4 - КТ829. Номиналом сопротивлений будут определяться передаточные характеристики сборки транзисторов Т3 и Т4. Наличие у транзисторной сборки высокого коэффициента передачи по току обеспечивает требуемый коэффициент усиления по току. Важно чтобы сумма номиналов сопротивлений R9 и R11 не превышала импеданс сопротивления коллектор – эмиттера двух транзисторов и входного сопротивления транзистора Т5.

Известно, что у мощных выходных транзисторов такого типа велики обратные токи утечки через коллектор – базовый переход. Уменьшить это позволяет сопротивление R12, важно, чтобы суммарный номинал его, был выше сопротивления прямо соединенного база – эмиттерного перехода выходного транзистора.

Подбор биполярных транзисторов является сложной и трудоемкой задачей. Может оказаться так, что влиянием токов утечки коллектор – базового перехода пренебречь не удается. В этом случае может наблюдаться зарядка конденсаторов (С1 и С2) через цепь питания, что в свою очередь приведет выход транзистора в режим насыщения по току.

Основным недостатком данной схемотехники являются обратные индукционные выбросы, которые без дополнительных схем защиты приводят к выходу из строя выходного транзистора. С этой целью был выбран используемый нами выходной биполярный транзистор 2SB546A, имеющий значения напряжений на коллектор - эмиттере и база - эмиттере ~ 1500 В и рассчитан на рабочую нагрузку в 25 Ампер. Кроме того, был использован высоковольтный конденсатор С3. Такое включение конденсатора, позволяет сгладить обратные индукционные скачки в первичной обмотки повышающего автотрансформатора. Его выбор был обусловлен тем, что стандартные демпфирующие цепи существенно шунтируют работу первичной обмотки, что приводит к снижению выходных характеристик, что делает их использование невозможным.

Так же было принято решение реализовать дополнительную защиту выходного транзистора Т5 от индуктивных выбросов с первичной обмотки, применив двухэлектродный газонаполненный разрядник для защиты от импульсных перенапряжений - BT, производства Citel. Газовый разрядник может рассматриваться как быстродействующий переключатель малой емкости. При достижении напряжения пробоя (в случае нашей схемотехники было выбрано значение 300 Вольт) он быстро переходит из состояния с высоким сопротивлением, в состояние с низким сопротивлением, практически в короткое замыкание. Максимальное напряжение срабатывание данного разрядника - 3000 Вольт. Импульсные токи без изменения параметров до 25 кА.

В качестве повышающего трансформатора использовалась катушка зажигания типа 27.3705 с разомкнутым магнитопроводом, маслонаполненная, герметизированная, рис. 10. Сопротивление первичной обмотки при 25^оС составляет быть 1,45± 0,05 Ом, вторичной - 100 ± 5 мОм.

Рис. 10. Катушка зажигания:

1 – изолятор;2 - корпус; 3 - изоляционная бумага обмоток; 4 - первичная обмотка; 5 - вторичная обмотка; 6 - клемма вывода первичной обмотки (обозначения "1", "-", "К"); 7 - контактный винт; 8 - центральная клемма для провода высокого напряжения; 9 - крышка; 10 - клемма подвода питания (обозначения "+Б", "Б", "+", "15"); 11 - контактная пружина; 12 - скоба крепления; 13 - наружный магнитопровод; 14 - сердечник.

Катушка зажигания выполняет функцию генератора импульсов высокого напряжения. Она работает по принципу трансформатора, имеет вторичную обмотку - тонкий провод с большим количеством витков, намотанный на железный сердечник, и первичную обмотку - толстый провод с малым количеством витков, намотанный поверх вторичной обмотки. При прохождении тока по первичной обмотке катушки, в ней создается магнитное поле. При размыкании цепи первичной обмотки коммутатором магнитный поток также прекращается, в результате чего в обеих обмотках индуцируется напряжение, которое во вторичной обмотке составляет не менее 20 кВ, а в первичной не более 500 В.

Источник питания схемы

Схема питается от простейшего мостового выпрямителя, собранного, которая позволяет питать схемы существенно различающиеся по нагрузочной способности. Данная схема обладает малыми пульсациями и несложная в конструкции, рис. 11. Подобное решение должно обеспечивать высокую нагрузочную характеристику блока питания в целом. В качестве питающих трансформаторов была выбрана пара ТПП3-8-220-50К, который представляет собой силовой трансформатор, имеющий две первичные обмотки по 110В, две вторичные по 10,2 и 3В. Соединив которые мы получили 40 вольт питающего напряжения.

Рис. 11. Принципиальная схема мостового выпрямителя.

Питающий трансформатор ТПП3-8-220-50К соответствует требованиям ГОСТ 19294-84.

Спецификация используемых радиотехнических элементов схемы усилителя

Таблица 1. Спецификация радиоэлементов схемы усилителя.

Наименование на схеме	Номинальное значение	Примечание
BT	300 В, 25 кА	-
С1	100nF	-
C2	100nF	-
C3	4700pF	-
L1	2,6 Ом	-
R1	100 кОм	-
R2	6,8 кОм	Требует настройки
R3	6,8 кОм	-
R4	1 кОм	Требует настройки
R5	100 кОм	-
R6	4,7 кОм	Требует настройки
R6	6,8 кОм	-
R8	1 кОм	Требует настройки
R9	52 Ом	-
R10	820 Ом	-
R11	52 Ом	-
R12	1 Ом	-
T1	КТ829А	-
T2	КТ829А	-
Т3	BU941ZP	-
Т4	КТ829А	-
Т5	2SB546A	-